Store simuleringer af kvarker lover et præcist syn på reaktioner af astrofysisk betydning

Sammensmeltningen af ​​to protoner starter den primære atomcyklus, der driver solen. Hastigheden af ​​denne lavenergi, svag interaktionsfusion er for lille til at måles i laboratoriet. Selvom forudsigelser for nukleare modeller for denne reaktion er imponerende, beregninger uden modeller ville reducere usikkerheder og tilbyde et mere præcist billede af proton-protonfusion og relaterede processer. Ved hjælp af en teknik kaldet gitterkvantekromodynamik, forskere udførte den første vellykkede modeluafhængige beregning af proton-proton-fusionshastigheden direkte ud fra den grundlæggende dynamik i kvarker og gluoner (byggestenene i protoner og kerner).

Dette arbejde baner vej for at beregne hastigheden af ​​proton-protonfusion, og lignende atomreaktioner af astrofysisk betydning, med nye præcisionsniveauer.

Nuclear Physics with Gatt Quantum Chromodynamics Collaboration (NPLQCD), under paraplyen i U.S. Quantum Chromodynamics Collaboration, udførte den første modeluafhængige beregning af hastigheden for proton-protonfusion direkte fra dynamikken i kvarker og gluoner ved hjælp af numeriske teknikker. Hastigheden af ​​denne proces er for lille til at måles i laboratoriet i dag af to grunde:den elektrostatiske frastødning mellem lavenergiprotoner og de små svage interaktionshastigheder. Teamet opnåede den teoretiske forudsigelse for denne proces gennem beregninger, hvor elektrostatisk frastødning blev fjernet, og de svage interaktionshastigheder blev øget for at give adgang til de kritiske elementer i processen.

Disse blev derefter gendannet ved hjælp af systematiske tilnærmelser til den underliggende fysiske teori (effektive feltteoretiske teknikker) ved forudsigelsen af ​​reaktionshastigheden. Den første gitterkvantekromodynamiske beregning af styrken af ​​den svage overgang mellem triton og helium-3 (som bærer væsentlig information om spin-interaktioner i nukleart medium) blev også udført i dette arbejde og viste sig at være i overensstemmelse med eksperimentelle målinger. Disse beregninger brugte gitterkvantekromodynamik, en teknik, hvor rumtid repræsenteres af et begrænset gitter af punkter, og kvantefelterne, der beskriver kvarkerne og gluonerne, er defineret på disse punkter og forbindelserne mellem dem, henholdsvis. Denne metode giver en evaluering af kvantekromodynamikbanens integrale, gennem Monte Carlo -prøveudtagning af kvantemekanisk bevægelse af kvarkerne og gluonerne (de subatomære partikler, der binder kvarkerne sammen).

Denne metode er fuldstændig kontrolleret og kan systematisk forbedres og forfines ved at reducere den fysiske afstand mellem netpunkterne, ved at øge rumtiden og ved at øge prøvetagningen af ​​stienintegralet. Dette arbejde brugte konfigurationer ("snapshots" af det kvantemekaniske vakuum) genereret ved hjælp af Chroma-softwarepakken udviklet inden for DOE's Scientific Discovery gennem Advanced Computing finansieret amerikansk Quantum Chromodynamics Collaboration. Eksisterende algoritmer og kode til dannelse af nukleare korrelationsfunktioner i gitterkvantekromodynamiske beregninger og nye algoritmer, herunder interaktioner mellem kvarker og eksterne sonder, udviklet inden for NPLQCD, blev brugt til at beregne de nøglemængder, der bestemmer hastigheden for proton-protonfusion.

Resultaterne af disse beregninger blev forbundet med naturen ved hjælp af effektive feltteoretiske teknikker. Forståelse opnået i NPLQCDs beregninger af den termiske neutronopsamlingsproces n+p → d+γ blev brugt til at lave denne forbindelse. Med øgede beregningsressourcer, disse beregninger kan systematisk forfines for at give en usikkerhed i hastigheden for proton-protonfusion, og lignende atomreaktioner, som er betydeligt mindre end det er muligt med andre teknikker. Dette gennembrud blev muliggjort af algoritmiske udviklinger og højtydende supercomputeressourcer.